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恒峰娱乐电脑版变压器技术要求「技术」立体卷铁心敞开式干式变压器的结构特点和发

来源:博天堂官网 | 时间:2018-10-21

  众所周知,作为配电网中关键设备,干式变压器 的安全可靠性和经济性对电力系统的可靠经济运行 具有重要意义,敞开式干式变压器技术自引入中国以来其环保、可靠、安全的特点,受到国家电网公司和南方电网公司等用户的认可,已经运行多年。在全球范围,敞开式干变更是得到广泛的应用,在北美占据了市场主流。近年来,国内的立体卷铁心技术突飞猛进,以非晶合金带材作为材料的立体卷铁心油变在电网成熟使用,具有里程碑意义的非晶立体卷铁心敞开式干式变压器在中国也已经研发成功袁,图1为立体卷铁心敞开式干式变压器和立体卷铁心遥。随着国家对建设资源节约、环境友好型社会的重视,有关中国制造的纲领性文件《中国制造2025》提出了绿色发展的指导意见,指出中国制造要坚持把绿色发展、循环发展、低碳发展作为基本途径。对于电 气产品制造来说,就要考虑产品的材料选用、生产、销售、使用及回收处理等各个环节对资源环境的影响。完美结合立体卷铁心技术和敞开式绕组结构工艺优点的立体卷铁心敞开式干式变压器符合绿色制造方向,具有独特的优点。本文中笔者主要阐述了立体卷铁心敞开式干式变压器的结构工艺和性能特点,并展望了未来的发展前景。

  干式变压器主要由铁心和线圈组成,其中铁心性能至关重要。立体卷铁心的初始概念和模型早在一百多年前的十九世纪末已经出现,苦于无法商业批量生产。进入二十一世纪,各国政府对气候变化和碳排放的关注使得生产商必须响应,开发更节能环保的配电变压器。变压器生产厂家通过研发立体卷铁心的生产设备,铁心截面尺寸设计由最初的六边形形状改为圆形,增大了铁心的填充系数,提升了卷绕和退火工艺。

  立体卷铁心三相变压器具有对称三角形的形状,磁路分布最理想,避免了常规叠铁心不对称的铁心结构有气隙漏磁多的缺陷。立体卷铁心三相磁路长度相同,导磁方向与铁心磁路方向完全相同,在三相柱上有平衡的磁通,减少励磁电流和浪涌电流。由于紧密缠绕无气隙和退火处理,立体卷铁心的振动和声音水平大大减少,与常规叠铁心相比,噪声可以降低8dB~25dB。由于结构的优势,在相同的性能要求下,立体卷铁心通常比传统叠片铁心节省硅钢材料20%以上。

  在相同的性能要求下,立体卷铁心比传统叠片铁心节省硅钢材料。在相同直径、截面、窗高、中心距的情况下,立体卷铁心与叠片铁心重量的差异,等于铁轭重量的差异,图3为立体卷铁心与叠片铁心的对比。初始参数见表1。

  立体卷铁心比叠片铁心重量平均下降大约20%。加上减少3%左右的叠铁心的角边废料浪费,立体卷铁心比叠片铁心平均节约硅钢片23%左右。另外立体卷铁心心柱截面积圆内的空间填充系数比叠铁心高4%~6%,有效面积AC相同时,卷铁心心柱的直径会小于叠铁心直径的2~3%,可以使线% ,既可节约铜材等原材料,又可降低负载损耗。铁心截面比较见图4。

  在立体卷铁心三相中,每相心柱由两个独立磁路的框组成,每个框由相邻两相绕组励磁, 磁路结构与传统三相平面叠片三柱式铁心型式不同,因此,磁通分布不同。如图5所示立体卷铁心三个框内磁通ΦAB、ΦBc、ΦcA,每个框由两个相差120°相位的正弦波形励磁绕组励磁,由于两个框内磁通不同步,硅钢片在较高磁密下运行时,硅钢片有磁饱和效应的特点,每个框内磁通波形易受磁饱和影响而畸变,磁通含三次谐波磁通分量而呈平顶波。由于不是正弦波形,框内磁通不能用相量法计算,需用安培环路定律及借助于所选用的硅钢片B-H 磁化曲线求解,用瞬时磁通法表示。 但对柱而言,两个框内三次谐波磁通互相抵消,合成磁通为正弦波。

  每相都有励磁绕组产生各相的柱内磁通,两个相邻近相的两个绕组对一个框的封闭磁路进行励磁。设各相的励磁安匝为Ni A、Ni B和Ni C ,H 为磁场强度,L为每框的磁路长度,根据安培环路定律:

  对于具体型号的硅钢片,都有不同的B-H磁化曲线, 磁场强度H为 磁密B的函数,故可写成H = f (Φ ) = f (B) (由 Φ或 B,从B-H磁化曲线求出H)。如果选取的瞬时磁密值能使ΣH = 0,此磁通或磁密即为要求的瞬时值。将各瞬间的磁通或磁密值连起来,得到磁通或磁密随时间变化的波形曲线。

  即使每个框内磁通波形易受磁饱和影响而畸变,磁通含三次谐波磁通分量而呈平顶波,波形起始与下降部分的陡度较大,使各框的涡流损耗分量增大。但由于柱内磁通为正弦波,而且磁路没有气隙,磁通方向与硅钢片延压方向一致,及铁轭较轻结构上节省材料的优势,在相同性能要求下,立体卷铁心变压器磁通密度仍然可以比传统的平面叠铁心高一些,结构的优势使立体卷铁心变压器的铁心和线圈尺寸较小,总的硅钢和线圈导线重量小于常规叠铁心变压器。

  从式(9)可知BC能高一些意味着或ez不变,AC小,铁心材料用量少;或AC不变,ez大,线圈导线用量少;或同时AC小,ez大,铁心线圈导线,立体卷铁心敞开式干式变压器的重量仅为常规叠铁心变压器76%(硅钢与原来相比少了23%,铜与原来相比少了10%,绝缘材料少得更多)。立体卷铁心敞开式干式变压器有助于减少自然资源的消耗,这是非常有意义的环境保护。常规叠铁心变压器是长方形的,而立体卷铁心敞开式干式变压器是四方形的,立体卷铁心敞开式干式变压器减少了30%的占地面积,较小的占地面积,长度方面减少可以很好地适合开关设备内的连接。

  立体卷铁心敞开式干式变压器除了铁心方面具有节省材料和空载损耗低的优点,线圈的结构也颇具特点。通常低压绕组采用箔式线圈结构,绕制方便机械强度高,高压绕组采用饼式线圈结构,散热好机械强度较高。高低压线圈之间用绝缘筒隔开,薄绝缘筒加气道结构,采用介电常数与空气接近的绝缘材料,电场分布均匀,减少了局部放电的可能性,如图6所示。

  空气中的局部放电(局部放电起始电压)为2.0kV/mm。考虑到变压器线圈的可靠性和寿命,避免当有高频繁的线电压浪涌或其他异常情况的潜在影响,连续工作电场保持低于1.2kV/mm,保证最长的变压器寿命。立体卷铁心敞开式干式变压器铁心的横轭和心柱没有锋利的边角,线圈内部场强设计采用相对介电常数接近于空气的耐热等级C级(220℃)绝缘材料,使电流密度可以取得更高从而节省材料,同时避免电场的过分集中引起的局部放电。而厚树脂层浇注而成的环氧树脂浇注变压器,环氧树脂绝缘设计需确保没有气隙,如果出现气泡,气隙中会呈现高电场产生局部放电,电场分布原理与上述分析类似。

  散热方面,立体卷铁心敞开干式变压器线圈具有良好的散热效果。一是线圈绝缘层较薄通风散热良好;二是线圈饼式结构的水平气道和垂直气道设计,使得散热面很大; 三是立体卷铁心变压器三个线圈的表面暴露于周边空气一致散热均匀,不同于常规的叠片变压器,常规的叠片变压器中间线圈由于冷却表面少温升较高;四是立体卷铁心敞开式干式变压器采用独特紧绕工艺,绕组铁心等各发热体的热交换较好,使得各部分的温度分布更均匀,热点温度较低。

  如果熟悉立体卷铁心的缠绕制造,从总劳动时间的角度看,生产一台立体卷铁心敞开式干式变压器与常规叠铁心变压器是接近的。立体卷铁心敞开式干式变压器的铁心绕制、铁心和线圈装配上需要更少时间,但线圈绕制的时间多一些,所以总的时间与常规叠铁心敞开干式变压器所需时间几乎一样。

  铁心制造的生产流程包括条料分切、铁心缠绕、铁心组装、铁心退火。硅钢片或非晶合金材料的斜切宽度通过电脑程序的计算实现铁轭和心柱的光滑分布,一个铁心由4~7个宽度的硅钢片连续绕制而成,成为一个无气隙半圆形截面,然后三个单框铁心用玻璃布带组装,当两个单框铁心放在一起构成圆形截面。退火过程非常重要,铁心通常在800°C左右进行4小时真空下退火,目的是恢复在分切、横切、缠绕过程中硅钢晶粒取向和磁性性能,变压器技术要求实现低空载损耗。

  线圈的绕制工艺:铁心完成后,将立体卷铁心固定在特殊的绕线机上,绕制低、高电压线圈。低压线圈缠绕在铁心柱上,然后继续绕制高压线圈。为了机械完整性和防潮性能,铁心和线圈用无溶剂清漆浸渍(VPI真空压力浸渍)工艺,使线圈表面和硅钢涂层良好。真空压力浸渍是一项以先进设备和材料来生产优质线圈的先进工艺,工艺流程如下:

  这层坚固的漆膜非常薄,不会出现由于运行温度变化导致的线圈开裂,在这一点立体卷铁心敞开式干变普遍公认为优于环氧浇注干变。真空压力浸渍与环氧浇注变压器工艺有相似之处,但更加简单快捷。表4为立体卷铁心敞开式干式变压器与环氧浇注干式变压器线 立体卷铁心敞开式干式变压器与环氧浇注干式变压器线圈浇注工艺比较

  立体卷铁心敞开式干变绕组绝缘经过真空压力浸渍处理,不仅增加了绕组的机械强度,也大大提高了绕组绝缘的防潮和抗污秽能力。广东省阳江市上东新城二期项目于2010年投入运行10台立体卷铁心敞开式干式变压器,2017年7月6日因连续暴雨,小区配电房严重积水,有7台变压器受到浸泡,造成小区供电中断。现场抢修人员排除积水,对变压器表面污物进行冲洗清理,再将变压器做简单处理后,测试7台干式变压器绝缘电阻、直流电阻和耐压试验全部合格,各项参数未发现异常,即刻恢复供电。 立体卷铁心敞开式干式变压器防潮防污性能是令人放心的。

  (2)过载能力强。这是由于其绝缘层较薄,通风散热好,最高温升与平均温升差值小。另外使用芳香族聚酰胺纸绝缘耐热材料,利用了耐热C级(220℃)与产品设计温度H级(180℃)之间的绝缘耐热裕度。

  (5)环保性能好。首先是尺寸紧凑和重量轻,消耗的硅钢片和铜铝较少,相比环氧浇注产品的绝缘材料大大减少,减少消耗大量燃料,减少空气和水的污染;其次生产过程简单,对环境和人的影响最小;还有运行的噪声以及空载电流较叠片变压器好;尤其是产品使用寿命终结后,铁心和线圈可以回收,资源可以重新利用。

  随着立体卷铁心敞开式干式变压器的不断开拓创新和大量应用,立体卷铁心敞开式干式变压器的特点将发掘和推广至更多领域,包括非晶合金干式变压器、大容量高电压干式变压器、新能源如汽车充电站等特殊领域所需干式变压器。

  非晶金合用于常规开口平面卷铁心变压器已多年,非晶金合具有磁滞损耗低的优点,采用非晶合金铁心的变压器空载损耗较常规变压器下降70%-80%,但非晶金属脆易裂,受力敏感组装后承受短路冲击的机械力弱,以及饱和磁密低导致成本高、噪声大的缺点,影响了非晶油浸式变压器的推广使用,非晶合金叠片干变也受到类似的限制。而立体卷铁心在降噪方面具有独特优势,结合非晶合金材料性能和立体卷铁心结构的优点应用于立体卷铁心敞开式干式变压器已经试制成功。立体卷铁心的结构上改善了噪声,同时通过绝缘材料包裹隔离非晶合金铁心与线圈,采用独特的线圈支撑结构,加强了非晶铁心干式变压器的短路承受力。表5为试制结果和性能参数的比较。

  配电干式变压器容量通常在2500kVA以下,随着城市用电负荷不断增加,变电所越来越深入负荷中心,以及某些大型动力设备对变电容量的特殊需要,开发大容量和高电压立体卷铁心敞开式干式变压器产品是将来的趋势。大容量立体卷铁心敞开式干变的铁心及磁路分析、电场分布及波过程、热点温升与动稳定机理等课题是基础研究的重点项目。现阶段国内立体卷铁心敞开式干变最大容量是12500kVA,最高电压是35kV,如图9所示,以后更大容量和更高电压的立体卷铁心敞开式干式变压器是研发方向之一。

  围绕巴黎气候协定目标,节能减排形势严峻,国家已启动传统燃油汽车的退出时间表,不远将来将禁售燃油汽车,新能源汽车比例会越来越大。而充电站和充电桩的合理配置是可持续发展新能源汽车的关键,到2020年,全国规划建设1.2万个充电站和480万个充电桩。充电站位于商业中心、行政中心、居民中心等人员密集地方,充电站的需求对所用变压器提出了新的要求,所用干变需要更环保、更安全、更可靠和体积紧凑。立体卷铁心敞开式干变的低损耗低噪声、防火防爆、过负荷能力强、体积小、谐波滤除效果好等特点,相比传统干变更适合新能源汽车充电站的使用要求,具有广阔的发展前景。

  随着现代船舰的大型化和船上电力推进系统的应用,船用变压器也向高电压、大容量、低损耗、体积紧凑、散热好的方向发展,立体卷铁心敞开式干式变压器所具有的低噪声、防火防爆、超负荷能力强、能抑制电流谐波畸变、设计灵活性好等优点,适合这种趋势。立体卷铁心敞开式干变,将成为船用变的优先选择。另外立体卷铁心敞开式干变应用于如风电、太阳能等新能源领域也是其中的发展方向,它符合新能源环保、安全、可靠的特性要求。

  电气设备的趋势是节能、环保、高可靠性和安全性。根据社会绿色发展的需求,立体卷铁心敞开式干式变压器符合这个全球趋势并提供额外的好处给最终用户。为了低损耗和低碳排放,节能法规和标准应体现绿色发展和更少资源消耗的要求。应用上需要更多的高可靠性、安全性、资源节约能力好和高过载能力强的立体卷铁心敞开式干式变压器,立体卷铁心敞开式干式变压器技术将更多应用于非晶合金变压器、特殊变压器和大型变压器,实现立体卷铁心技术优势效益最大化。近年来随着硅钢和非晶合金材料的发展,随着绝缘设计和绝缘材料的发展,更低空载损耗、更少材料、更低生产成本、更长使用寿命的干式变压器具有广阔发展前景。

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